无刷直流电机的特点特性、选用选型及其应用

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 无刷电机是指无电刷和换向器（或集电环）的电机，又称无换向器电机。早在十九纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛的应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。上世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。

　　无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。 电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体 ，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。

　　直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直角坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。

　　此外已有很多微处理机将控制电机必需的功能做在芯片中，而且体积越来越小；像模拟/数字转换器（analog-to-digital converter，adc）、脉冲宽度调制（pulse wide modulator，pwm）…等。直流无刷电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性又没有直流电机机构上缺失的一种应用。

　　无刷直流电机的特点特性

　　1、可替代直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速；

　　2、具有传统直流电机的优点，同时又取消了碳刷、滑环结构；

　　3、可以低速大功率运行，可以省去减速机直接驱动大的负载；

　　4、体积小、重量轻、出力大；

　　5、转矩特性优异，中、低速转矩性能好，启动转矩大，启动电流小；

　　6、无级调速，调速范围广，过载能力强；

　　7、软启软停、制动特性好，可省去原有的机械制动或电磁制动装置；

　　8、效率高，电机本身没有励磁损耗和碳刷损耗，消除了多级减速耗，综合节电率可达20%~60%。

　　9、可靠性高，稳定性好，适应性强，维修与保养简单；

　　10、耐颠簸震动，噪音低，震动小，运转平滑，寿命长；

　　11、不产生火花，特别适合爆炸性场所，有防爆型；

　　12、根据需要可选梯形波磁场电机和正弦波磁场电机。

　　无刷直流电机的选用

　　为实际应用选择合适的电机是至关重要的。根据电机的负载特性，需要确定合适的电机参数。其主要参数有以下几点：

　　（1）应用是的最大扭矩要求；

　　（2）平方根（RMS）扭矩需求；

　　（3）转速要求。

　　1、最大扭矩

　　最大的扭矩可以通过将负载扭矩、转动惯量和摩擦力相加得到。另外，还有一些额外的因素影响最大需求扭矩如：气隙空气的阻力等，这就需要至少20%的扭矩余量，综上所述，有以下等式：

　　TP = （TL TJ TF） * 1.2

　　TJ为电机启动或加速过程需要克服的转动力矩，其主要包括电机转子的转动力矩和负载的转动力矩，其表示为：

　　TJ = JL M * α

　　上式中α为加速度，JL M为定子和负载的转动力矩。 电机的机械轴决定电机的负载力矩和摩擦力。

　　2、平方根扭矩

　　可以近似的认为平方根扭矩为实际应用中需要的持续输出扭矩。它由很多因素决定：最大扭矩、负载扭矩、转动惯量、加速、减速以及运行时间。下面的等式表示了平方根扭矩的计算，其中TA为加速时间、TD为减速时间和TR为运行时间。

　　TRMS = √ ［{TP2 TA （TL TF）2TR （TJ – TL – TF）2 TD}/（TA TR TD）］

　　3、转速

这是有应用需求的转速。比如，吹风机的转速需求是，最高转速和平